CN102171945A - 用于产生多天线发送预编码码本的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用于产生码本的设备和方法。该设备包括产生器。码本产生器配置为使用用于闭环单用户MIMO(SU-MIMO)方案的基于8相移键控(8-PSK)符号集的4比特4发送器(4TX)和8发送器(8TX)天线产生预编码码本。根据本公开的各方面，可以产生用于在8发送天线系统中使用的预编码码本。

Description

用于产生多天线发送预编码码本的方法和装置

技术领域

本发明一般涉及多输入多输出(MIMO)通信系统，而且更具体地，涉及MIMO通信系统中的码本信息。

背景技术

多输入多输出(MIMO)通信系统是能够在至少一个基站与至少一个用户站之间发送和接收数据的系统。由于每个基站和每个用户站包括多个天线，MIMO方案使得可以提高发送和接收数据的效率。

基于码本的预编码MIMO可以提供下行链路闭环MIMO中的显著的频谱效率增益。在IEEE 802.16e和3GPPLTE标准中，支持基于四发送器(4TX)天线有限反馈的闭环MIMO配置。在IEEE 802.16m和3GPP LTE高级标准中，为了提供峰值频谱效率，提出八发送器(8TX)天线配置作为主要的预编码闭环MIMO下行链路系统。

对于码本有几个要求。基于4TX单用户MIMO(SU-MIMO)的复杂度和性能来设计码本。码本设计的基本假定是关于无关联信道。在真实通信环境中，无关联信道指示在用户站处天线间隔至少半个波长(0.5λ)以及在基站处天线间隔至少十个波长(10λ)。给定整个阵列尺度(通常我们假定10个波长)，每个发送天线很可能关联。因此，码本设计的基线(base line)常常针对关联阵列。

发明内容

技术问题

在3GPPLTE标准中，4TX码本基于给定相同维度16个生成矢量的住户反射(Householder reflection)产生。因此，需要大存储器尺寸用于存储生成矢量的64个元素。住户反射提供具有恒定模数属性的四乘四(4×4)幺正矩阵。然而，四维住户反射是其中保持恒定模数属性的特殊情况。在其他维度中，住户反射的恒定模数属性被破坏。由于恒定模数是系统的最强要求，住户反射并非用于设计包括其他维度的码本的合适方法。

因此，本领域中需要用于构建恒定模数码本的改进的方法和装置。特别地，需要能够在包括四个或更多发送器的MIMO系统中使用的恒定模数码本。

技术方案

提供一种能够无线通信的系统。该系统包括用于与多个用户站通信的基站，其中基站经由多输入多输出(MIMO)天线系统使用用于闭环单用户MIMO(SU-MIMO)方案的基于8相移键控(8-PSK)符号集的4比特4发送器(4TX)和8发送器(8TX)天线预编码码本进行发送。

提供一种用于产生码本的设备，用于经由多输入多输出(MIMO)系统向多个用户站发送数据和从其接收数据。该设备包括：码本产生器，配置为使用用于闭环单用户MIMO(SU-MIMO)方案的基于8相移键控(8-PSK)符号集的4比特4发送器(4TX)和8发送器(8TX)天线产生预编码码本。

提供一种用于产生码本的方法，用于经由多输入多输出(MIMO)天线系统发送和接收数据。该方法包括：使用用于闭环单用户MIMO(SU-MIMO)方案的基于8相移键控(8-PSK)符号集的4比特4发送器(4TX)和8发送器(8TX)天线预编码码本。

在开始以下本发明的具体说明前，阐述本专利文件全文使用的特定词语和词组的定义将是有益的，术语“包括”和“包含”及其衍生词表示没有限制的包括；术语“或者”是包括性的，意味着和/或；词组“与...关联”和“与其关联”及其衍生词可以意味着包括、包括在...内、与...相互连接、包含、包含在...内、连接到或与...连接、耦合到或与...耦合、与...能够通信、与...协作、交织、并列、近似于、绑定到或与...绑定、具有、有...的属性等；而术语“控制器”意味着控制至少一种操作的任何设备、系统或其部分，这样的设备可以实现为硬件、固件或软件、或者其中至少两种的组合。应当注意，与任何具体控制器相关联的功能可以是集中式或分布式的、本地的或远程的。本专利文件全文提供了某些字词和短语的定义，本领域普通技术人员应当理解，在许多情况下(即便不是绝大多数情况下)，这样的定义适用于这样限定的字词和短语的先前的和将来的使用。

附图说明

为了更完整理解本公开及其优点，结合附图做出对以下说明的参考，其中相同的引用数字表示相同的部件：

图1说明根据本公开的一个实施例的能够解码数据流的示范性无线网络；

图2说明根据本公开的实施例的能够解码数据流的MIMO系统；

图3说明根据本公开的实施例的多码字MIMO编码器的详情；

图4说明根据本公开的实施例的MIMO通信系统；

图5说明根据本公开的实施例的基于M-PSK字符集的一阶段CH变换；

图6说明根据本公开的实施例的基于M-PSK字符集的两阶段CH变换；

图7说明根据本公开的实施例的基于M-PSK字符集的推广的N阶段CH变换；

图8说明根据本公开的实施例的第一码本；

图9说明根据本公开的实施例的第二码本；

图10说明根据本公开的实施例的第三码本；

图11说明根据本公开的实施例的第四码本；以及

图12和13说明根据本公开的实施例的第二码本的第一和第二列子集分配。

具体实施方式

本专利文件中以下讨论的图1到图13、以及用于描述本公开的原理的各种实施例仅是作为说明而不应在任何方面理解为限制本公开的范围。本领域技术人员将理解本公开的原理可以在任何适当安排的无线通信系统中实现。

对于以下说明，应注意LTE术语“节点B”是以下使用的“基站”的另一术语。同样，LTE术语“用户设备”是以下使用的“用户站”的另一术语。

图1说明根据本公开的一个实施例的能够解码数据流的示范性无线网络100。在所示实施例中，无线网络100包括基站(BS)101、基站(BS)102、和基站(BS)103。基站101与基站102和基站103通信。基站101还与诸如因特网、私有IP网络、或其他数据网络的因特网协议(IP)网络130通信。

基站102对基站102的覆盖区域120内的第一多个用户站提供经由基站101到IP网络130的无线宽带接入。第一多个用户站包括用户站(SS)111、用户站(SS)112、用户站(SS)113、用户站(SS)114、用户站(SS)115和用户站(SS)116。用户站(SS)111-116可以是任何无线通信设备，诸如但是不限于移动电话机、移动PDA和任何移动站(MS)。在示范性实施例中，SS 114可以位于小企业(SB)，SS 112可以位于大企业(E)，SS 113可以位于WiFi热点(HS)，SS 114可以位于第一住所(R)，SS 115可以位于第二住所(R)，而SS 116可以是移动(M)设备。

基站103对基站103的覆盖区域125内的第二多个用户站提供经由基站101到IP网络130的无线宽带接入。第二多个用户站包括用户站115和用户站116。在替换实施例中，基站102和103可以借助诸如光纤、DSL、线缆或T1/E1线路的有线宽带连接直接连接到因特网，而非通过基站101间接连接。

在其他实施例中，基站101可以与更少或更多的基站通信。此外，虽然在图1中仅示出六个用户站，但是可以理解无线网络100可以向多于六个用户站提供无线宽带接入。注意到用户站115和用户站116处于覆盖区域120和覆盖区域125二者的边缘上。用户站115和用户站116各自均与基站102和基站103二者通信并且可以说在切换模式下操作，如本领域技术人员所知。

在示范性实施例中，基站101-103可以使用IEEE-802.16无线城域网标准(例如IEEE-802.16e标准)相互通信以及与用户站111-116通信。然而，在另一实施例中，可以采用不同的无线协议，诸如，例如HIPERMAN无线城域网标准。依赖于用于无线回程(backhaul)的技术，基站101可以通过直接视线或非视线与基站102和基站103通信。基站102和103各自可以使用OFDM和/或OFDMA技术通过非视线与用户站111-116通信。

基站102可以向与大企业关联的用户站112提供T1级别服务，并向与小企业关联的用户站111提供低于T1级别服务。基站102可以向与WiFi热点(其可以位于机场、咖啡馆、酒店、或大学校园)关联的用户站113提供无线回程。基站102可以向用户站114、115和116提供数字用户线(DSL)级别服务。

用户站111-116可以使用到IP网络130的宽带接入来接入语音、数据、视频电话会议、和/或其他宽带服务。在示范性实施例中，用户站111-116的一个或多个可以与WiFi WLAN的接入点(AP)关联。用户站116可以是包括有无线能力的膝上型计算机、个人数据助理、笔记本、手持设备、或其他有无线能力的设备的多个移动设备中的任何一个。用户站114和115可以是例如有无线能力的个人计算机、膝上计算机、网关、或其他设备。

虚线示出覆盖区域120和125的大致程度，其仅出于说明和解释的目的示出为近似圆形。应当清楚地理解，依赖于基站的配置以及与自然和人造障碍物关联的无线电环境的变化，与基站关联的例如覆盖区域120和125的覆盖区域可以具有其他的形状，包括不规则的形状。

同样，与基站关联的覆盖区域并不在时间上恒定，而是可以基于基站和/或用户站的改变的传输功率等级、天气状况、和其他因素而是动态的(扩张或收缩或改变形状)。在实施例中，基站的覆盖区域(例如基站102和103的覆盖区域120和125)的半径可以在离基站102和103从小于2公里到大约五十公里的范围中扩展。

如在本领域中公知的，诸如基站101、102、或103的基站可以采用定向天线来支持覆盖区域中的多个扇区。图1中，基站102和103分别表示为大约处在覆盖区域120和125的中心。在其他实施例中，定向天线的使用可以使基站位于接近覆盖区域的边缘，例如处在锥形或梨形覆盖区域的顶端。

从基站101到IP网络130的连接可以包括到位于中心办公室或另一运营公司存在点(point-of-presence)的服务器的宽带连接，例如光纤线路。所述服务器可以提供到用于基于因特网协议的通信的因特网网关、以及到用于基于语音的通信的公众交换电话网网关的通信。在按照IP承载语音(VoIP)的形式的基于语音的通信的情况下，可以将业务直接转发到因特网网关而非公众交换电话网(PSTN)网关。所述服务器、因特网网关、和PSTN网关没有在图1中示出。在另一实施例中，到IP网络130的连接可以通过不同的网络节点和设备来提供。

依据本公开的实施例，一个或多个基站101-103和/或一个或多个用户站111-116包括接收器，其操作以使用具有连续干扰消除的最小均方差(MMSE-SIC)算法来解码从多个发送天线接收的作为组合的数据流的多个数据流。如以下更详细描述的，接收器操作以基于对于每个数据流基于数据流的强度相关特性计算的的解码预测度量来确定数据流的解码顺序。因此，通常，接收器能够首先解码最强壮的数据流，紧接着为下一最强壮的数据流，依次类推。结果，接收器的解码性能与按照随机或预定顺序解码流的接收器相比有所提高，而又不像搜索所有可能的解码顺序以找到最优顺序的接收器那样复杂。

图2说明根据本公开的实施例的能够解码数据流的MIMO系统200。MIMO系统200包括操作以在无线接口215上通信的发送器205和接收器210。

发送器205包括多码字MIMO编码器220和多个天线225，其中每个天线操作以发送由编码器220产生的不同的数据流230。接收器210包括空间处理块250和多个天线255，其中每个天线操作以从包括发送器205的天线225的多个源接收组合的数据流260。空间处理块250操作以将组合的数据流260解码为数据流265，它们与天线225发送的数据流230基本相同。

空间处理块250操作以使用MMSE-SIC过程来从组合的数据流260解码数据流265，其中MMSE-SIC过程基于关于每个数据流265的解码预测度量(DPM)来选择解码数据流265的顺序。关于每个数据流265的DPM是基于与数据流265关联的强度相关特性。因此，例如，DPM可以基于与数据流265关联的信道的容量、关于数据流265的有效信号干扰和噪声比(SINR)和/或任何其他合适的强度相关特性。使用该解码过程，接收器210能够提供比按照随机顺序解码流的接收器更好的性能而不引入搜索所有可能的解码顺序以找到最优解码顺序的接收器的复杂性。

图3说明根据本公开的实施例的多码字MIMO编码器220的细节。对于该实施例，编码器220包括解复用器(demux)305、多个循环冗余码(CRC)块310a-b、多个编码器315a-b、多个调制器320a-b、以及预编码器325。编码器220操作以接收信息块并且基于用于在天线225a-b上发送的信息块产生数据流230a-b。虽然所示实施例示出两组组件310a-b、315a-b和320a-b以产生用于由两个天线225a-b发送的两个流230a-b，但是不难理解，编码器220可以基于要产生的任何合适数量的流230a-b而包括任何合适数量的组件组310a-b、315a-b、320a-b和325a-b。

解复用器305操作以将信息块解复用为多个较小的信息块、或流340a-b。每个CRC块310a-b操作以将CRC数据添加到关联的流340a-b。在添加CRC数据之后，分别地，编码器315a-b操作以编码流340a-b，而调制器320a-b操作以调制已编码的流340a-b。在编码和调制之后，结果得到的等价于数据流230a-b的流通过预编码算法325处理，并且从单独的天线225a-b发送。

因为编码器220是多码字MIMO编码器，所以可以在每个流340a-b上使用不同的调制和编码。因此，例如，编码器315a可以执行不同于编码器315b的编码，而调制器320a可以执行不同于调制器320b的调制。使用多码字传输，在码字在接收器210处从整个信号中消除之前，可以可选地在每个码字上执行CRC检查。当执行该检查时，可以通过确保仅消除正确接收的码字来在消除过程中避免干扰传播。

预编码325用于多层波束形成以便最大化多接收天线系统的吞吐量性能。信号的多个流从具有独立的和适合的按每个天线的加权的发送天线中发出，以使得在接收器输出处最大化链路吞吐量。用于多码字MIMO的预编码过程可以细分为线性和非线性预编码类型。线性预编码办法相对于非线性预编码办法可以以较低的复杂度实现合理的吞吐量性能。线性预编码包括幺正预编码和迫零(下文称为“ZF”)预编码。非线性预编码可以以复杂性为代价实现接近最优的容量。非线性预编码基于脏纸编码(下文称为“DPC”)的概念来设计，其中DPC说明如果最优预编码方案可以应用于发送信号则可以将发送器处的任何已知干扰减去而不损失无线资源的。可以通过将包括多个空间波束的矩阵乘以与信号分组对应的矢量的计算过程来执行预编码。

图4说明根据本公开的实施例的MIMO通信系统。图4中所示的MIMO通信系统400的实施例仅是用于说明。可以使用MIMO通信系统400的其他实施例而不脱离本公开的范围。

MIMO通信系统(MIMO系统)400包括发送器205和多个用户站SS 116a-116n。MIMO系统400被配置为发送信号分组410到多个用户站SS1 116a-SSn 116n中的任何一个。例如，信号分组410经由发送器205中的编码器220和多个天线225a-225h发送到SS1 116a。

编码器220(例如，在预编码器325中)将包括多个空间波束的矩阵乘以与信号分组410对应的矢量。所述空间波束中的每一个可以与从基站向用户站SS1 116a-SSn 116n中的每一个发送的空间方向对应。在单用户-MIMO(SU-MIMO)系统中，编码器220确定发送到多个用户站SS1 116a-SSn 116n中的任何一个的数据流的数量。例如，每个矢量可以对应于发送到SS1 116a的数据流。

编码器200中的码本420产生器产生将由编码器220相乘的矩阵(也称为预编码器矩阵和预编码矩阵)。可以通过基站102处的发送天线225的数量来确定将由编码器220相乘的矩阵的行或列的数量。因此，当发送器205利用八个发送天线225a-225h时，该矩阵可以具有八行。当利用八个发送天线225a-225h时，可以同时发送信号分组410中的最多八个数据流。依赖于通信环境，所发送的数据流的数量可以调整为一(1)到八(8)中的任何一个。同时发送的数据流的调整的数量被称为发送秩(Rank)。另外，当SS 116(如，SS1 116a)利用八个接收天线时，矩阵可以具有八个列。

本公开的实施例规定多个用户站SS1 116a-SSn 116n被配置为使用导频信号来计算通信信道特征。用户站(如，SS1 116a)向基站102发送关于所计算的通信信道特征的信息，以基于发送的信息确定该矩阵。

本公开的实施例还规定可以利用码字来表示矩阵H中的元素(例如，行和列位置)。每个码字是依据代码的特定规则集合的码元的序列并且分配了唯一的含义。因此，第一码字对应于元素h₁₁，第二码字对应于第二元素h₁₂等。

为了利用MIMO天线获得最大收益(例如，提高的分集和复用增益)，一些实施例规定在SS 116处将天线225a-225h间隔至少半个波长(0.5λ)，并且在基站处将天线间隔至少十个波长(10λ)。为了高效率地减少要求的必需的物理空间，采用双极化天线。共存的双极化天线系统提供对于当前MIMO天线系统的有成本-空间效率的替换。

在一些实施例中，将码本设计为具有恒定的模数(CM)。当矩阵的一个秩中的元素等于该矩阵的其他秩中的各个元素时出现恒定的模数。例如，Rank1的元素h₁₂等于Rank2的元素h₁₂。作为码本的基线，CM属性确保功率放大器(PA)平衡。通过CM约束，码本设计对应于等增益发送预编码器的设计。

在一些实施例中，使用秩适配来提高低几何用户的频谱效率。在这样的实施例中，将码本设计为具有嵌套属性。当将全部的较低秩码字重用于构建较高秩的码字时出现嵌套属性。当执行秩适配时嵌套属性减少用于计算信道质量指示符(CQI)的复杂度。

从八相移键控(8-PSK)符号集：

中选择码字矩阵的元素。从8-PSK符号集中选择元素避免了CQI计算中执行矩阵乘法的需要。

在一些实施例中，采用系统化产生。在系统化产生中，从较低维生成矢量或矩阵中产生大维度码字。系统化产生减少用于存储生成矢量或矩阵所需的存储器、和产生该码字所需的物理系统尺度。在3GPP LTE标准中，基于给定相同维度生成矢量的住户反射而产生4TX码本。因此，要求较大存储器尺寸来存储16个生成矢量的64个条目。本公开的实施例规定仅要求存储四(4)个生成矩阵的16个条目，无论采用天线的数量多少。

在一个实施例中，采用用于约束M-PSK字符集和用于2ⁿ维天线的系统码本设计方法。对于M-PSK字符集，由下面公式1和2定义变换矩阵的集合：Γ_M＝{T₁，T₂，...，T_M/2}[公式1]

$T_i=\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ e^{j2\mathrm{\Π}(i-1)/M}& -e^{j2\mathrm{\Π}(i-1)/M}\end{array}\right]\mathrm{fori}=\mathrm{1,2},...,M/2.$ [公式2]

其中T_i形成2乘2(2×2)幺正矩阵。T_i用于变换用来构建较大维度矩阵的生成矩阵。给定用于M-PSK的变换矩阵Γ_M的集合，可以如下定义几个复Hadamard(CH)变换。给定任何两个生成矩阵，V₁和V₂∈U^m×n，其中U^m×n表示m×n维矩阵空间，其列彼此标准正交，通过下面公式3定义一阶段复Hadamard(CH)变换：

$\begin{array}{c}{H}_i(V_1,V_2)\≡(T_i\⊗I_m)[I_2(;,1)\⊗V_1,I_2(;,2)\⊗V_2]\\ =[T_i(;,1)\⊗V_1,T_i(;,2)\⊗V_2]\\ =W_i^{\left(1\right)}\end{array}$ [公式3]

公式3中，I_m表示m维单位矩阵，

H_i(V₁，V₂)∈U^2m×2n

表示克罗内克积，结果矩阵

中的上标表示变换阶段的数量。

图5说明根据本公开的实施例的基于M-PSK字符集的一阶段CH变换500。当i＝1时，一阶段CH变换500等价于实Hadamard变换。使用一阶段复Hadamard变换500，产生具有标准正交列的2m×2n矩阵。

图6说明根据本公开的实施例的基于M-PSK字符集的两阶段CH变换600。在一些实施例中，采用两阶段复Hadamard变换600。给定任何生成矩阵V₁、V₂、V₃和V₄∈U^m×n，通过下面公式4定义两阶段复Hadamard变换600：

$\begin{array}{c}{H}_{i,k,l}(V_1,V_2,V_3,V_4)\≡H_i(W_k^{\left(1\right)},W_l^{\left(1\right)})\\ =H_i(H_k(V_1,V_2),H_l(V_3,V_4))\\ =[T_i(:,1)\⊗H_k(V_1,V_2),T_i(:,1)\⊗H_l(V_3,V_4)]\\ =(T_i(:,1)\⊗[T_k(:,1)\⊗V_1,T_k(:,2)\⊗V_2],T_i(:,1)\⊗[T_i(:,1)\⊗[T_l(:,1)\⊗V_3,T_l(:,2)\⊗V_4])\\ =W_i^{\left(2\right)}\end{array}$ [公式4]

公式4中，1≤i、k、l≤M/2，且结果矩阵

形成具有标准正交列的4m×4n矩阵。

这种类型的推广可以对N阶段变换执行，以通过递归地应用变换来构建Nm×Nn矩阵。图7说明根据本公开的实施例的基于M-PSK字符集的推广的N阶段CH变换700。

因此，如果从M-PSK字符集的集合中选择用于生成矩阵V_j的条目，则可以采用公式4来利用M-PSK条目产生NmxNn矩阵的集合。另外，M-PSK生成矩阵的集合可以通过约束Γ_M中的(如V_j∈Γ_M)来定义。于是，为M-PSK字符集定义的N阶段复Hadamard变换700利用M-PSK字符集产生2^N×2^N幺正矩阵的集合。作为结果的幺正矩阵包含块对角矩阵的旋转。该旋转提供对于给定用于传输的不同秩的合适的列子集选择的双极化天线的良好信道匹配属性。

在另一实施例中，利用公式4，可以构造DFT矩阵。执行简单的列置换以构造DFT矩阵。例如，利用如下公式5和6所示的一阶段变换构造4-维DFT矩阵。

$\begin{array}{c}{\mathrm{DFT}}_4=\frac{1}{\sqrt{4}}{H}_1(T_1,T_3)P_4\\ =\frac{1}{\sqrt{4}}[T_1(:,1)\⊗T_1,T_1(:,2)\⊗T_3]P_4\end{array}$ [公式5]

公式5中，P₄表示列置换矩阵：

$P_4=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right].$ [公式6]

还另一通过使用以下公式7的两阶段变换构造8维DFT矩阵。

$\begin{array}{c}\mathrm{DF}\underset{8}{T}=\frac{1}{\sqrt{8}}{H}_1(H_3(T_1,T_3),H_3(T_2,T_4))P_8\\ =\frac{1}{\sqrt{8}}(T_1(:,1)\⊗[T_3(:,1)\⊗T_1,T_3(:,2)\⊗T_2],T_1(:,1)\⊗[T_3(:,1)\⊗T_2,T_3(:,2)\⊗T_4\left]\right)P_8\end{array}$ [公式7]

公式7中，P₈表示列置换矩阵：

$P_8=\left[\begin{array}{cccccccc}1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0\\ 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1\end{array}\right].$

由于可以将列置换矩阵的效果合并到基矩阵的列子集策略，所以设计的码本可以包括DFT矩阵作为基矩阵。

在另一实施例中，产生使用以上幺正矩阵构造方法的具有8-PSK字符集的4比特4TX码本。给定合并有秩适配的嵌套属性，矩阵产生器420将发送预编码器构造为4×4幺正矩阵的列子集。矩阵产生器420利用一阶段复Hadamard变换500产生4×4基矩阵。在这样的实施例中，将一阶段复Hadamard变换500重新定义为如下公式9：

$\begin{array}{c}{H}_i(m1,m2)\≡H_i(T_{m1},T_{m2})\\ =[T_i(:,1)\⊗T_{m1},T_i(;,2)\⊗T_{m2}]\end{array}$ [公式9]

公式9中，在Γ₈中选择生成矩阵T_m1和T_m2。另外，m1和m2表示生成矩阵的指标(index)。将8-PSK字符集的四(4)个发送和生成矩阵制表如表1所示。

表1

表2

四个基矩阵的条目由下面公式10、11、12和13给出：

$W_1=\frac{1}{\sqrt{4}}{H}_1\left(\mathrm{1,1}\right)=\frac{1}{\sqrt{4}}\left[\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 1\\ 1& -1& 1& -1\\ 1& 1& -1& -1\\ 1& -1& -1& 1\end{array}\right]$ [公式10]

$W_2=\frac{1}{\sqrt{4}}{H}_1\left(\mathrm{3,3}\right)=\frac{1}{\sqrt{4}}\left[\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 1\\ j& -j& j& -j\\ 1& 1& -1& -1\\ j& -j& -j& j\end{array}\right]$ [公式11]

$W_3=\frac{1}{\sqrt{4}}{H}_3\left(\mathrm{2,2}\right)=\frac{1}{\sqrt{4}}\left[\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 1\\ \frac{(1+j)}{\sqrt{2}}& -\frac{(1+j)}{\sqrt{2}}& \frac{(1+j)}{\sqrt{2}}& -\frac{(1+j)}{\sqrt{2}}\\ j& j& -j& -j\\ \frac{(-1+j)}{\sqrt{2}}& \frac{(1-j)}{\sqrt{2}}& \frac{(1-j)}{\sqrt{2}}& \frac{(-1+j)}{\sqrt{2}}\end{array}\right]$ [公式12]

$W_4=\frac{1}{\sqrt{4}}{H}_3\left(\mathrm{4,4}\right)=\frac{1}{\sqrt{4}}\left[\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 1\\ \frac{(-1+j)}{\sqrt{2}}& \frac{(1-j)}{\sqrt{2}}& \frac{(-1+j)}{\sqrt{2}}& \frac{(1-j)}{\sqrt{2}}\\ j& j& -j& -j\\ \frac{(-1-j)}{\sqrt{2}}& \frac{(1+j)}{\sqrt{2}}& \frac{(1+j)}{\sqrt{2}}& \frac{(-1-j)}{\sqrt{2}}\end{array}\right]$ [公式13]

设计的基矩阵的集合包括四个矩阵W₁、W₂、W₃和W₄。在全部基矩阵的六十四(64)个条目当中，四十八(48)个元素是四相移键控(QPSK)字符集{±1，±j}，而十六(16)个元素是字符集。按照CQI计算开销，码本计算关于秩1的对于i＝1、...16的数量HF_i，其中F_i表示预编码矩阵且H表示信道矩阵。将先前计算的值重用于其他秩。该计算是可能的，因为全部较低秩码字被重用于构建较高秩码字并且在四个4×4基矩阵W₁、W₂、W₃和W₄中选择4比特秩1(Rank1)码字。

在另一实施例中，产生使用以上幺正矩阵构造方法的具有8-PSK字符集的4比特8TX码本。同样给定合并有秩适配的嵌套属性，矩阵产生器420将8TX发送预编码器325构造为幺正基矩阵的列子集。对于8TX情况，矩阵产生器420应用两阶段复Hadamard变换600以产生8×8基矩阵的集合。作为说明，两阶段复Hadamard变换600在下面公式14中重新定义：

$\begin{array}{c}{H}_{i,k,l}(T_{m1},T_{m2},T_{m3},T_{m4})\≡H_{i,k,l}(m1,m2,m3,m4)\\ =(T_i(:,1)\⊗[H_k(m1,m2)],T_i(:2)\⊗[H_l(m3,m4)\left]\right)\\ =H_i(H_k(m1,m2),H_l(m3,m4))\end{array}$

[公式14]

图8说明根据本公开的实施例的第一码本。第一码本(码本1)800是4比特8TX码本。矩阵产生器420基于两个8×8基矩阵构造码本1800。码本1800设计用于8TX单极化(SP)天线。矩阵产生器420构造码本1800以使得码本1800包括最小数量的基矩阵，即，两个基矩阵。从基矩阵到码字的映射进一步在图8中示出。

两个基矩阵的条目由下面公式15和16给出：

$W_1=\frac{1}{\sqrt{8}}{H}_{\mathrm{1,1,1}}\left(\mathrm{1,1,1,1}\right)=\frac{1}{\sqrt{8}}\left[\begin{array}{cccccccc}1& 1& 1& 1& 1& 1& 1& 1\\ 1& -1& 1& -1& 1& -1& 1& -1\\ 1& 1& -1& -1& 1& 1& -1& -1\\ 1& -1& -1& 1& 1& -1& -1& 1\\ 1& 1& 1& 1& -1& -1& -1& -1\\ 1& -1& 1& -1& -1& 1& -1& 1\\ 1& 1& -1& -1& -1& -1& 1& 1\\ 1& -1& -1& 1& -1& 1& 1& -1\end{array}\right]$ [公式15]

$W_2=\frac{1}{\sqrt{8}}{H}_{\mathrm{3,3,3}}\left\{\mathrm{3,3,3,3}\right\}=\frac{1}{\sqrt{8}}\left[\begin{array}{cccccccc}1& 1& 1& 1& 1& 1& 1& 1\\ j& -j& j& -j& j& -j& j& -j\\ j& j& -j& -j& j& j& -j& -j\\ -1& 1& 1& -1& -1& 1& 1& -1\\ j& j& j& j& -j& -j& -j& -j\\ -1& 1& -1& 1& 1& -1& 1& -1\\ -1& -1& 1& 1& 1& 1& -1& -1\\ -j& j& j& -j& j& -j& -j& j\end{array}\right]$ [公式16]

码本1800包括QPSK字符集，并且从两个8×8幺正基矩阵中提取码字。使用两阶段复Hadamard变换600来设计基矩阵。对于CQI计算，码本计算关于秩1预编码器F_i的对于i＝1、...16的数量HF_i，其中F_i表示预编码矩阵且H表示信道矩阵。先前计算的值被重用于其他秩。

图9说明根据本公开的实施例的第二码本。第二码本(码本2)900是4比特8TX码本。矩阵产生器420基于两个8×8基矩阵构造码本2900。码本2900设计用于8TX双极化(DP)天线。矩阵产生器420构造码本2900以使得码本2900包括最小数量的基矩阵，即，两个8×8基矩阵。从两个8×8基矩阵到码字的映射在图9中示出。

两个8×8基矩阵的条目由下面公式17和18给出：

$W_1=\frac{1}{\sqrt{8}}{H}_{1,1,3}\left(\mathrm{1,3,2,4}\right)=\frac{1}{\sqrt{8}}\left[\begin{array}{ccccccccc}1& 1& 1& 1& 1& 1& 1& 1& \\ 1& -1& j& -j& \frac{(1+j)}{\sqrt{2}}& -\frac{(1+j)}{\sqrt{2}}& \frac{(-1+j)}{\sqrt{2}}& -\frac{(-1+j)}{\sqrt{2}}& \\ 1& 1& -1& -1& j& j& -j& -j& \\ 1& -1& -j& j& \frac{(-1+j)}{\sqrt{2}}& -\frac{(-1+j)}{\sqrt{2}}& \frac{(1+j)}{\sqrt{2}}& -\frac{(1+j)}{\sqrt{2}}& \\ 1& 1& 1& 1& -1& -1& -1& -1& \\ 1& -1& j& -j& -\frac{(1+j)}{\sqrt{2}}& \frac{(1+j)}{\sqrt{2}}& -\frac{(-1+j)}{\sqrt{2}}& \frac{(-1+j)}{\sqrt{2}}& \\ 1& 1& -1& -1& -j& -j& j& j& \\ 1& -1& -j& j& -\frac{(-1+j)}{\sqrt{2}}& \frac{(-1+j)}{\sqrt{2}}& -\frac{(1+j)}{\sqrt{2}}& \frac{(1+j)}{\sqrt{2}}& \end{array}\right]$ [公式17]

$W_2=\frac{1}{\sqrt{8}}{H}_{\mathrm{3,2,4}}\left(\mathrm{1,3,2,4}\right)=\frac{1}{\sqrt{8}}\left[\begin{array}{cccccccc}1& 1& 1& 1& 1& 1& 1& 1\\ 1& -1& j& -j& \frac{(1+j)}{\sqrt{2}}& -\frac{(1+j)}{\sqrt{2}}& \frac{(-1+j)}{\sqrt{2}}& -\frac{(-1+j)}{\sqrt{2}}\\ \frac{(1+j)}{\sqrt{2}}& \frac{(1+j)}{\sqrt{2}}& -\frac{(1+j)}{\sqrt{2}}& -\frac{(1+j)}{\sqrt{2}}& \frac{(-1+j)}{\sqrt{2}}& \frac{(-1+j)}{\sqrt{2}}& -\frac{(-1+j)}{\sqrt{2}}& -\frac{(-1+j)}{\sqrt{2}}\\ \frac{(1+j)}{\sqrt{2}}& -\frac{(1+j)}{\sqrt{2}}& -\frac{(-1+j)}{\sqrt{2}}& \frac{(-1+j)}{\sqrt{2}}& -1& 1& j& -j\\ j& j& j& j& -j& -j& -j& -j\\ j& -j& -1& 1& -\frac{(-1+j)}{\sqrt{2}}& \frac{(-1+j)}{\sqrt{2}}& \frac{(1+j)}{\sqrt{2}}& -\frac{(1+j)}{\sqrt{2}}\\ \frac{(-1+j)}{\sqrt{2}}& \frac{(-1+j)}{\sqrt{2}}& -\frac{(-1+j)}{\sqrt{2}}& -\frac{(-1+j)}{\sqrt{2}}& \frac{(1+j)}{\sqrt{2}}& \frac{(1+j)}{\sqrt{2}}& -\frac{(1+j)}{\sqrt{2}}& -\frac{(1+j)}{\sqrt{2}}\\ \frac{(-1+j)}{\sqrt{2}}& -\frac{(-1+j)}{\sqrt{2}}& \frac{(1+j)}{\sqrt{2}}& -\frac{(1+j)}{\sqrt{2}}& j& -j& 1& -1\end{array}\right]$ [公式18]

码本2900包括8-PSK字符集。在两个基矩阵W₁和W₂的一百二十八(128)个条目当中，八十(80)个条目是{±1，±j}，而四十八(48)个条目是

对于CQI计算，码本计算关于秩1预编码器F_i的对于i＝1、...16的数量HF_i，其中F_i表示预编码矩阵且H表示信道矩阵。先前计算的值被重用于其他秩。

图10说明根据本公开的实施例的第三码本。第三码本(码本3)1000是4比特8TX码本。矩阵产生器420基于四个8×8基矩阵构造码本31000。码本31000设计为工作在SP和DP天线配置两者中。从四个8×8基矩阵的列中选择码字。从四个8×8基矩阵到码字的映射在图10中示出。

码本31000包括8-PSK字符集。在四个基矩阵W₁、W₂、W₃和W₄的两百五十六(256)个条目当中，一百九十二(192)个条目是{±1，±j}，而六十四(64)个条目是

对于CQI计算，码本31000计算关于秩2预编码器F_i的对于i＝1、...16的数量HF_i，其中F_i表示预编码矩阵且H表示信道矩阵。先前计算的值被重用于其他秩。

图11说明根据本公开的实施例的第四码本。第四码本(码本4)1100是4比特8TX码本。矩阵产生器420从八个8×8基矩阵构造码本41100。码本41100设计为工作在SP和DP天线配置两者中。从八个8×8基矩阵的列中选择码字。从八个8×8基矩阵到码字的映射在图11中示出。

码本41100包括8-PSK字符集。在八个8×8基矩阵W₁，W₂，W₃，W₄，W₅，W₆，W₇和W₈的五百一十二(512)个条目当中，两百八十八(288)个条目是{±1，±j}，而两百二十四(224)个条目是

图12和13说明根据本公开的实施例的第二码本码本2900的第一和第二列子集分配。使用一阶段CH变换500，产生码本2900的第一基矩阵。利用CH变换的嵌入结构，矩阵产生器420通过旋转W₁产生包括8-PSK字符集的基矩阵候选者。这些候选者基矩阵形成如公式19定义的可行集合W。W＝{W₁，Θ₁W₁，Θ₂W₁，...，Θ_pW₁}[公式19]

可行集合W具有P+1的尺寸。可行的集合指示这样的集合，其中我们的目标功能(即，最小弦距离准则和/或阵列多样化(manifold)响应准则)被优化以使得产生基矩阵的最优集合。旋转矩阵的结构限制为行方式旋转矩阵Θ_i以便维持8-PSK字符集属性。这在下面公式20中示出：

θ_i＝diag(exp(j2π[n_i1，n_i2，n_i3，n_i4，n_i5，n_i6，n_i7，n_i8]/8))[公式20]

公式20中，n_ij＝{1，2，...，8}。通过该结构，产生具有n_ij的全部可能的组合的整个可行集合带来大的搜索空间尺寸。考虑CH变换的结构，可以减少可行集合的尺寸。

在一些实施例中，将矩阵产生器420配置为使用基于CH变换的结构的行方式旋转矩阵结构。由公式21、22和23定义三个部分旋转矩阵。

Θ_i1＝diag(exp(j2π[0，0，0，0，k_i1，k_i1，k_i1，]/8))[公式21]

Θ_i2＝diag(exp(j2π[0，0，k_i1，k_i20，0，k_i1，k_i2]/8))[公式22]

Θ_i3＝diag(exp(j2π[0，k_i3，0，k_i3，0，k_i3，0，k_i3]/8))[公式23]

公式21、22和23中，k_ij＝{1，2，...，8}。然后，将行方式旋转Θ_i定义为三个部分旋转矩阵的复合，如公式24和25所示。

Θ_i＝Θ_i1Θ_i2Θ_i3[公式24]

Θ_i＝diag(exp(j2π[0，k_i3，k_i2，k_i2+k_i3，k_i1+k_i3，k_i1+k_i2，k_i1+k_i2+k_i3]/8))[公式25]

因此，对于k_i1、k_i2和k_i3的组合，获得具有减少的搜索空间的旋转矩阵。通过产生可行集合和搜索最优基矩阵，将矩阵产生器420配置为确定最优4比特8TX基矩阵的集合，如下面公式26和27定义。

$W_1=\frac{1}{\sqrt{8}}{H}_{\mathrm{1,1,3}}\left(\mathrm{1,3,2,4}\right)$ [公式26]

W₂＝Θ₁W₁

W₂＝diag(exp(j2π[0，0，1，1，2，2，3，3]))W₁

$W_2=\frac{1}{\sqrt{8}}{H}_{3,\mathrm{2,4}}\left(\mathrm{1,3,2,4}\right)$ [公式27]

公式26和27中，k₁＝2，k₂＝1且k₃＝0。

本公开的实施例提供在3GPP LTE高级和IEEE 802.16m标准中的码本设计方法和要在基于4TX和8TX预编码的闭环SU-MIMO系统中采用的码本。本公开的实施例容易并入3GPP LTE高级、IEEE 802.16m以及这些标准的未来演进。

虽然已经通过示范性实施例描述本公开，但是本领域的技术人员可以领会各种修改和改变。意图使本公开涵盖落入所附权利要求书的范围内的这样的变更和修改。

Claims (20)

1.一种用于与多个用户站通信的基站，其中基站经由多输入多输出(MIMO)天线系统使用用于闭环单用户MIMO(SU-MIMO)方案的基于8相移键控(8-PSK)符号集的4比特4发送器和8发送器天线预编码码本进行发送。

2.如权利要求1所述的基站，其中至少一个码本使用第一公式和第二公式产生，其中第一公式是：

$T_i=\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ e^{j2\mathrm{\Π}(i-1)/M}& -e^{j2\mathrm{\Π}(i-1)/M}\end{array}\right]$ 对于i＝1，2，...，M/2

而其中第二公式是：

$H_i(V_1,V_2)\≡(T_i\⊗I_m)[I_2(;,1)\⊗V_1,I_2(;,2)\⊗V_2]$

$=[T_i(;,1)\⊗V_1,T_i(;,2)\⊗V_2]$

$=W_i^{\left(1\right)}$

其中V₁和V₂是生成矩阵，I_m表示m维单位矩阵，H_i(V₁，V₂)∈U^2m×2n

并且结果矩阵中的上标表示变换阶段的数量。

3.如权利要求1所述的基站，其中至少一个码本使用第三公式产生，其中第三公式是：

$H_{i,k,l}(V_1,V_2,V_3,V_4)\≡H_i(W_k^{\left(1\right)},W_l^{\left(1\right)})$

$=H_i(H_k(V_1,V_2),H_l(V_3,V_4))$

$=[T_i(:,1)\⊗H_k(V_1,V_2),T_i(:,1)\⊗H_l(V_3,V_4)]$

$=(T_i(:,1)\⊗[T_k(:,1)\⊗V_1,T_k(:,2)\⊗V_2],T_i(:,1)\⊗[T_i(:,1)\⊗V_3,T_l(:,2)\⊗V_4\left]\right)$

$=W_i^{\left(2\right)}$

而且其中V₁、V₂、V₃和V₄是生成矩阵，

且结果矩阵

形成具有标准正交列的4m×4n矩阵，而且

表示变换阶段的数量。

4.如权利要求1所述的基站，其中至少一个码本从四个8×8基矩阵产生，其中一百九十二(192)个条目是{±1，±j}，而六十四(64)个条目是

5.如权利要求1所述的基站，其中至少一个码本从八个8×8基矩阵产生，其中两百八十八(288)个条目是{±1，±j}，而两百二十四(224)个条目是

6.如权利要求1所述的基站，其中至少一个码本使用八个8×8基矩阵产生，其中至少一个基矩阵通过如下的至少一个来定义：

$W_1=\frac{1}{\sqrt{8}}{H}_{\mathrm{1,1,3}}\left(\mathrm{1,3,2,4}\right)$

和

W₂＝Θ₁W₁

W₂＝diag(exp(j2π[0，0，1，1，2，2，3，3]))W₁

$W_2=\frac{1}{\sqrt{8}}{H}_{\mathrm{3,2,4}}\left(\mathrm{1,3,2,4}\right).$

7.一种用于产生码本的设备，用于经由多输入多输出(MIMO)系统向多个用户站发送数据和从其接收数据，该设备包括：

码本产生器，配置为使用用于闭环单用户MIMO(SU-MIMO)方案的基于8相移键控(8-PSK)符号集的4比特4发送器和8发送器天线产生预编码码本。

8.如权利要求7所述的设备，其中至少一个码本是

9.如权利要求7所述的设备，其中至少一个码本是

10.如权利要求7所述的设备，其中至少一个码本是

11.如权利要求7所述的设备，其中至少一个码本是

12.如权利要求7所述的设备，其中至少一个码本是

13.如权利要求7所述的设备，其中至少一个码本是

14.一种用于产生码本的方法，用于经由多输入多输出(MIMO)天线系统发送和接收数据，该方法包括：

使用用于闭环单用户MIMO(SU-MIMO)方案的基于8相移键控(8-PSK)符号集的4比特4发送器和8发送器天线预编码码本。

15.如权利要求14所述的方法，其中至少一个码本使用第一公式和第二公式产生，其中第一公式是：

$T_i=\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ e^{j2\mathrm{\Π}(i-1)/M}& -e^{j2\mathrm{\Π}(i-1)/M}\end{array}\right]$ 对于i＝1，2，...，M/2

而其中第二公式是：

$H_i(V_1,V_2)\≡(T_i\⊗I_m)[I_2(;,1)\⊗V_1,I_2(;,2)\⊗V_2]$

$=[T_i(;,1)\⊗V_1,T_i(;,2)\⊗V_2]$

$=W_i^{\left(1\right)}$

其中V₁和V₂是生成矩阵，I_m表示m维单位矩阵，H_i(V₁，V₂)∈U^2m×2n

并且结果矩阵

中的上标表示变换阶段的数量。

16.如权利要求14所述的方法，其中至少一个码本使用第三公式产生，其中第三公式是：

$H_{i,k,l}(V_1,V_2,V_3,V_4)\≡H_i(W_k^{\left(1\right)},W_l^{\left(1\right)})$

$=H_i(H_k(V_1,V_2),H_l(V_3,V_4))$

$=[T_i(:,1)\⊗H_k(V_1,V_2),T_i(:,1)\⊗H_l(V_3,V_4)]$

$=(T_i(:,1)\⊗[T_k(:,1)\⊗V_1,T_k(:,2)\⊗V_2],T_i(:,1)\⊗[T_i(:,1)\⊗V_3,T_l(:,2)\⊗V_4\left]\right)$

$=W_i^{\left(2\right)}$

且其中V₁、V₂、V₃和V₄是生成矩阵，1≤i、k、1≤M/2且结果矩阵

形成具有标准正交列的4m×4n矩阵，而且表示变换阶段的数量。

17.如权利要求14所述的方法，其中至少一个码本从四个8×8基矩阵产生，其中一百九十二(192)个条目是{±1，±j}，而六十四(64)个条目是

18.如权利要求14所述的方法，其中至少一个码本从八个8×8基矩阵产生，其中两百八十八(288)个条目是{±1，±j}，而两百二十四(224)个条目是

19.如权利要求14所述的方法，其中至少一个码本使用八个8×8基矩阵产生，其中至少一个基矩阵通过如下的至少一个来定义：

$W_1=\frac{1}{\sqrt{8}}{H}_{\mathrm{1,1,3}}\left(\mathrm{1,3,2,4}\right)$

和

W₂＝Θ₁W₁

W₂＝diag(exp(j2π[0，0，1，1，2，2，3，3]))W₁

$W_2=\frac{1}{\sqrt{8}}{H}_{\mathrm{3,2,4}}\left(\mathrm{1,3,2,4}\right).$

20.如权利要求14所述的方法，其中至少一个码本使用第四公式产生，其中第四公式是：

$H_i(m1,m2)\≡H_i(T_{m1},T_{m2})$

$=[T_i(:,1)\⊗T_{m1},T_i(:,2)\⊗T_{m2}]$

其中在Γ₈中选择生成矩阵T_m1和T_m2，而且m1和m2表示生成矩阵的指标。

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